$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
W pracy teoretycznej P.W. Andersona 1 wykazano, że w obecności nieporządku w kwantowym systemie elektronicznym, proces dyfuzji zatrzymuje się i rozwijają się zlokalizowane stany elektronowe. Lokalizacja Andersona to zjawisko falowe, które może również wystąpić w przypadku fal klasycznych, takich jak światło. Od czasu teoretycznych przewidywań lokalizacji Andersona w optyce 2,3 podjęto wiele prób eksperymentalnego zrealizowania tego zjawiska za pomocą fal elektromagnetycznych 4,5. Jednak osiągnięcie silnej lokalizacji było bardzo trudne, ponieważ przekroje czynne rozpraszania optycznego są często zbyt małe ze względu na niski kontrast współczynnika załamania światła większości materiałów optycznych. W 1989 roku De Raedt i wsp.6 wykazali, że możliwe jest obserwowanie lokalizacji Andersona w quasi-dwuwymiarowym, nieuporządkowanym układzie optycznym o niskim współczynniku załamania światła. Wykazali, że jeśli zaburzenie jest ograniczone do płaszczyzny poprzecznej rozchodzącej się fali w ośrodku niezmienniczym wzdłużnie, wiązka może pozostać ograniczona do małego obszaru w kierunku poprzecznym z powodu silnego rozpraszania poprzecznego. Poprzeczna lokalizacja Andersona została po raz pierwszy zaobserwowana w dwuwymiarowych falowodach, które zostały stworzone przy użyciu wzorów interferencyjnych w krysztale fotorefrakcyjnym 7. Stopiona krzemionka jest drugim ośrodkiem, który został użyty do obserwacji poprzecznej lokalizacji Andersona 8,9, gdzie nieuporządkowane falowody są zapisywane za pomocą impulsów femtosekundowych wzdłuż próbki. Różnica współczynnika załamania światła miejsc nieuporządkowanych w wyżej wymienionych układach jest rzędu 10-4 , więc promień lokalizacji jest dość duży. Dodatkowo typowe falowody zwykle nie są dłuższe niż kilka centymetrów; W związku z tym mogą nie być praktyczne w zastosowaniach z falą prowadzoną. Zwracamy uwagę, że obserwacja poprzecznej lokalizacji Andersona w jednowymiarowym nieuporządkowanym falowodzie została opisana wcześniej w Ref 10.
Światłowód opracowany tutaj ma kilka zalet w porównaniu z poprzednimi realizacjami lokalizacji poprzecznej Andersona dla zastosowań fal prowadzonych 11,12. Po pierwsze, duża różnica refrakcyjna wynosząca 0,1 między miejscami zaburzeń światłowodu skutkuje małą zlokalizowaną wiązką porównywalną z promieniem wiązki zwykłych światłowodów. Po drugie, światłowód nieuporządkowany polimerem może być znacznie dłuższy niż nieuporządkowane falowody zapisane zewnętrznie w kryształach fotorefrakcyjnych lub stopionej krzemionce. Udało nam się zaobserwować poprzeczną lokalizację Andersona we włóknie 11 o długości 60 cm. Po trzecie, światłowód z zaburzeniami polimerowymi jest elastyczny, co czyni go praktycznym w rzeczywistych zastosowaniach na poziomie urządzenia, które opierają się na transporcie fal świetlnych w światłowodach 13.
Aby wytworzyć nieuporządkowany światłowód, losowo wymieszano 40 000 nici PMMA i 40 000 nici PS, gdzie każda nić miała 8 cali długości i 250 μm średnicy. Losowo wymieszane pasma zostały złożone w kwadratową preformę o przekroju poprzecznym o szerokości boku około 2,5 cala. Preforma została następnie narysowana do kwadratowego światłowodu o szerokości boku około 250 μm (rysunek 1). Aby losowo wymieszać oryginalne pasma włókien, rozłożyliśmy warstwę pasm włókien PMMA na dużym stole, dodaliśmy warstwę pasm włókien PS, a następnie losowo wymieszaliśmy je ze sobą. Procedurę powtarzano wiele razy, aż uzyskano dobrą losową mieszankę.
Użyliśmy skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) do zobrazowania profilu indeksu refrakcji światłowodu polimerowego. Regularne techniki rozszczepiania, takie jak użycie ostrego, podgrzewanego ostrza, nie mogą być stosowane do przygotowania próbek włókien do obrazowania SEM końca włókna w celu odwzorowania jego profilu współczynnika załamania światła, ponieważ ostrze uszkadza morfologię końca włókna. Polerowanie włókna ma podobny szkodliwy wpływ na jakość końcówki włókna. W celu przygotowania wysokiej jakości próbek do obrazowania SEM, zanurzyliśmy każde włókno w ciekłym azocie na kilka minut, a następnie rozbiliśmy włókno; jeśli zostanie wykonana na wystarczającej liczbie próbek włókien, metoda ta daje kilka dobrych kawałków włókien (około 15% wskaźnika sukcesu) z bardzo wysokiej jakości i gładkimi powierzchniami końcowymi do obrazowania SEM. Następnie użyliśmy 70% roztworu alkoholu etylowego w temperaturze 60 °C przez około 3 minuty, aby rozpuścić miejsca PMMA na końcu włókna; Dłuższa ekspozycja może spowodować rozpad całego końca włókna. Następnie pokryliśmy próbki Au/Pd i umieściliśmy je w komorze SEM. Powiększony obraz SEM nieuporządkowanego światłowodu polimerowego pokazano na rysunku 2. Jasnoszare miejsca to PS, a ciemne miejsca to PMMA. Całkowita szerokość obrazu wynosi 24 μm, przy czym najmniejsze rozmiary elementów na tym obrazie wynoszą ~0,9 μm, co odpowiada indywidualnym rozmiarom miejsc pasm włókien, po procesie rysowania.
Aby scharakteryzować właściwości falowodu nieuporządkowanego światłowodu, użyliśmy lasera He-Ne o długości fali 633 nm. Laser He-Ne jest sprzężony z jednomodowym światłowodem SMF630hp o średnicy pola modowego około 4 μm, który jest następnie sprzężony doczołowo z nieuporządkowanym światłowodem polimerowym za pomocą precyzyjnego stopnia zmotoryzowanego. Dane wyjściowe są następnie obrazowane na profilerze wiązki kamery CCD za pomocą obiektywu 40X.
W pierwszym zestawie eksperymentów wybraliśmy 20 różnych próbek włókien o nieuporządkowanej długości, każda o długości 5 cm; długość 5 cm została wybrana tak, aby odpowiadała długości propagacji w naszych symulacjach numerycznych. Symulacje numeryczne nieuporządkowanego włókna są na ogół bardzo czasochłonne, nawet w klastrze obliczeniowym o wysokiej wydajności z 1100 elementami. Pełna poprzeczna lokalizacja Andersona dla długości fali 633 nm następuje dopiero po około 2,5 cm rozchodzenia się 11,12; Dlatego zdecydowaliśmy, że długość 5 cm jest wystarczająca do naszych celów. Ze względu na stochastyczną naturę lokalizacji Andersona, musieliśmy powtórzyć zarówno eksperymenty, jak i symulacje dla 100 realizacji, aby zebrać wystarczającą ilość danych statystycznych do porównania eksperymentalnych i numerycznych wartości średniej średnicy wiązki. W praktyce 100 różnych pomiarów uzyskuje się, wykonując pięć przestrzennie oddzielonych pomiarów na każdej z 20 różnych próbek włókien nieuporządkowanych.
Dość trudno jest przygotować nieuporządkowane światłowody polimerowe do pomiarów, w porównaniu z światłowodami szklanymi. Na przykład nie można używać zaawansowanych narzędzi i technik do cięcia i polerowania, które są dobrze rozwinięte dla standardowych włókien na bazie krzemionki. Udoskonalona procedura cięcia i polerowania światłowodów polimerowych została opisana przez Abdi i wsp. 14; Wykorzystaliśmy ich metody z niewielkimi modyfikacjami do przygotowania naszych próbek włókien. W celu rozszczepienia światłowodu z zaburzeniami polimerowymi, zakrzywione ostrze X-Acto jest podgrzewane do 65 °C, a światłowód do 37 °C. Końcówka włókna jest wyrównana na powierzchni cięcia, dzięki czemu można wykonać czyste, prostopadłe cięcie. Ostrze jest umieszczone z boku włókna i szybko przetaczane w poprzek. Cały proces cięcia powinien być wykonany tak szybko, jak to możliwe, aby temperatura ostrza i włókna nie uległa znacznym zmianom. Po rozszczepieniu włókna i sprawdzeniu go pod mikroskopem optycznym, koniec światłowodu jest polerowany za pomocą standardowych arkuszy do docierania włókien (papier do polerowania tlenku glinu 0,3 μm Thorlabs LFG03P), aby upewnić się, że wszelkie drobne niedoskonałości zostały usunięte. Aby wypolerować końcówkę włókna, trzyma się ją w pęsetzie, przy czym pęseta przytrzymuje włókno w odległości około 1,5 mm od polerowanej powierzchni czołowej. Włókno jest przeciągane po papierze po długich na jeden cal ścieżkach w kształcie cyfry 8, około osiem razy. Polerowanie włókna skutkuje gładszymi krawędziami, jak to zostało sprawdzone pod mikroskopem optycznym. Co więcej, polerowanie ułatwia prawidłowe sprzężenie z zlokalizowanym miejscem we włóknie, co z kolei zmniejsza tłumienie zarówno w sprzężeniu, jak i w początkowej odległości propagacji przed utworzeniem zlokalizowanego miejsca.
Użyliśmy profilera wiązki kamery CCD, aby zobrazować intensywność wiązki wyjściowej. Profil intensywności bliskiego pola został uchwycony za pomocą obiektywu 40X. Aby znaleźć granice światłowodu, nasyciliśmy CCD, zwiększając moc światła wpadającego ze światłowodu SMF630hp. Po wykryciu profilu intensywności zlokalizowanej wiązki względem granic, ustawiamy profilometr wiązki CCD na opcję automatycznej ekspozycji. Wykorzystaliśmy obraz profilu natężenia w celu obliczenia efektywnego promienia wiązki. W celu zniwelowania efektu szumu otoczenia skalibrowaliśmy naszą procedurę przetwarzania obrazu, aby zapewnić uzyskanie oczekiwanej średnicy wiązki światłowodu SMF630hp. Średnia zmierzona wartość promienia wiązki i jej odchylenia wokół wartości średniej dobrze zgadzają się z symulacjami numerycznymi, jak pokazano w ref. 11. Profil wiązki wyjściowej we włóknie polimerowym wyraźnie podąża za zmianą położenia wiązki padającej, jak pokazano w Refs. 11,12,13.
Kompleksowe badanie wpływu parametrów projektowych, takich jak nieporządek, rozmiary miejsc i długość fali padającej, na promień wiązki zlokalizowanej wiązki zostało przedstawione w Refs. Rozdział 12,15.